火災下大跨度鋼桁架拱橋結構性能分析

康俊濤, 王 偉

(武漢理工大學 土木工程與建筑學院, 武漢 430070)

近年來橋梁火災事故呈增加趨勢，對橋梁的正常運營造成很大威脅. 為保證橋梁運營期間的安全，對橋梁進行火災下的性能分析非常必要.

大跨度橋梁作為重要的交通樞紐，一旦發生火災將會造成嚴重的損失. 目前已有較多學者對大跨度橋梁火災進行了研究，文獻[1]采用油罐車火焰升溫曲線，通過ANAYS熱-結構耦合分析斜拉橋鋼索極限承載力，得到油罐車火災下有、無保護層的斜拉索極限承載力的變化情況；文獻[2]利用FDS對公路火災溫度場進行數值模擬，建立了纜索承重橋梁構件的瞬態溫度場，并通過熱-結構耦合分析得到懸索橋主纜、懸索橋吊索及斜拉橋斜拉索在多種汽車火災下的安全距離；文獻[3]利用FDS模擬不同汽車火災下的火災溫度場，分析各汽車火災下斜拉索的極限承載力；文獻[4]采用油罐車HCinc升溫曲線，利用ANAYS建立三塔懸索橋的熱-結構耦合有限元模型，確定油罐車火災下懸索橋吊索的防火高度及防火保護層厚度；文獻[5]分析三塔懸索橋的鋼中塔在不同汽車火災場景下全橋結構靜力性能的變化. 但目前關于大跨度橋梁火災的研究主要集中在纜索承重體系橋梁，對于大跨度鋼桁架拱橋受火分析研究較少.

纜索承重體系橋梁與拱橋在傳力方式上的不同決定了結構受火時性能變化的差異性. 且對纜索承載體系橋梁行火災模擬分析中多是針對斜拉索或吊索受火研究，這些構件在火災高溫下破壞對橋梁整體性能的影響有限[3,5]. 而大跨度鋼桁架拱橋的拱肋為最主要的傳力構件，一旦拱肋處構件在火災作用下削弱或破壞將會對結構整體安全造成很大威脅，因此有必要研究大跨度鋼桁架拱橋受火狀態下結構性能的變化. 本文在總結既有大跨度橋梁火災研究的基礎上，以某下承式鋼桁架拱橋為工程依托，采用火災模擬軟件FDS對大空間橋梁火災溫度場進行數值模擬，分析下承式鋼桁架拱橋在兩種典型火災場景中結構性能的變化.

1 橋梁火災溫度場模擬

1.1 火災模型

橋梁火災事故多數由于車輛著火引起，其中油罐車燃燒火災規模最大，對橋梁結構造成的危害最為嚴重[6]，本研究主要考慮橋梁火災中油罐車著火情況. 車輛火災主要經歷3個階段：火災增長階段、穩定燃燒階段、火災衰弱階段. 依據Ingason H的火災平方增長模型[7]，火災過程可表示為

(1)

式中：Q為火災熱釋放率；a為火災增長系數；t為火災發生時間；tmax為火災達到最大熱釋放率的時間；td為維持最大熱釋放率的時間；Qmax為火災最大熱釋放率.

國內外在研究車輛火災過程中給出了不同車輛燃燒規模的建議值. 參考其中與油罐車火災有關的數據：赫塞爾登火災規模表[2]建議泄漏汽油的油罐車產生熱量為50～100 MW；法國CETU[8]建議熱釋放率為100～200 MW的火災，火災增長時間為10 min，穩定燃燒時間為60 min，衰弱時間為20～30 min；國際道路學會PIARC[9]建議油罐車熱釋放速率為100 MW，造成的火焰的面積為2.5 m×10 m. 文獻[5]在研究懸索橋橋面火災時建議油罐車熱釋放率為200 MW，火源面積為4 m×12 m，火災增長系數為1 kW·s-2；文獻[3]在研究三塔懸索橋近塔橋面火災時建議油罐車熱釋放率峰值為100 MW，火源面積為4 m×6 m；文獻[2]研究公路橋梁火災瞬態空間溫度場時推薦爆燃油罐車火災熱釋放率峰值為300 MW,火源面積取為15 m×2.5 m，火災增長系數為0.37 kW·s-2. 綜合以上研究成果，以火災平方增長模型為基礎，火災增長時間取為15 min，火災持續時間取為60 min，火災中最大熱釋放率取為300 MW. 在對橋梁受火分析時暫不考慮火災衰弱階段對橋梁結構造成的影響，油罐車火災熱釋放率數學模型為

(2)

式中Qmax為油罐車火災最大熱釋放率.

1.2 火災場景設置

某下承式鋼桁架拱橋跨徑布置為70 m+240 m +70 m. 其中拱肋由兩片拱肋桁架和8道橫聯組成. 每片拱肋桁架由上弦桿、下弦桿和腹桿組成. 下弦桿采用拋物線，矢高為54 m，矢跨比為1/4.444，上弦桿采用二次拋物線和圓曲線相結合，全橋共計33對吊索. 橋梁的總體布置和橫斷面如圖1、2所示.

圖1 橋梁總體布置(m)

圖2 橋梁橫斷面(m)

橋面發生車輛火災時，由于橋面鋪裝和混凝土板對板下鋼縱、橫梁起到隔熱保護作用[10]，本文重點考慮火災對下承式鋼桁架拱橋的拱肋及吊索的影響. 考慮火災實際發生的可能性，選取以下兩種典型的火災場景來對橋梁進行受火分析：1)火災場景A. 下弦桿拱腳處發生油罐車火災，火災發生在最外側車道. 2)火災場景B. 主跨跨中處發生油罐車火災，火災發生在最外側車道.

1.3 火災溫度場模擬

利用FDS對橋梁火災溫度場進行數值模擬，FDS對油罐車火災溫度場模擬的可靠性方面得到許多試驗證實[2,11].

橋梁發生汽車火災后火源影響范圍有限[2]，為簡化FDS火災溫度場計算模型，同時保證模擬的火災溫度場能反映出不同構件處的溫度變化，本文分別模擬下弦桿拱腳區域及主跨跨中區域的溫度場分布. 通過固定面積的熱源模擬油罐車火災，熱源熱釋放率設置為300 MW，按t2火增長[12]，增長時間為15 min，火源尺寸為15 m×2.5 m，設置為無風環境，橋面板設置為混凝土表面，其他部件設置為鋼表面，除底面外其他模擬區域邊界設置為開放邊界. 其中火災場景A模擬如圖3所示.

圖3 FDS火災模型圖

Fig.3 The model of fire in mathematical simulation of FDS

FDS模型中通過在構件周圍布置熱電耦來測量各構件附近火災溫度場分布[12]，受火區域附近主要構件的編號如圖4所示，受火側吊索編號依次為1#～33#，跨中吊索編號為17#.

圖4 受火區域附近的主要構件編號

通過FDS模擬結果可知：各構件附近溫度場的升溫趨勢基本一致，0～300 s時溫度變化較慢，300～1 200 s時溫度快速升高，1 200 s后各構件附近溫度場升溫趨于穩定，在最高溫度附近波動. 火源附近構件的火災溫度場變化如圖5所示.

火災場景A中構件附近溫度場的最高溫度為550 ℃. 火源中心處吊索溫度場最高溫度可達533 ℃，隨著距火源水平距離的增大以及吊索高度的增加，吊索溫度場顯著降低. 火源附近不同吊索沿吊索高度的溫度變化見表1. 可以發現火源附近的3根吊索溫度場受火災影響明顯. 而拱肋及其他吊索處火災場溫度均小于100 ℃，忽略火災對其材料性能影響.

圖5 構件附近火災溫度場

表1 吊索不同高度的溫度分布

1.4 鋼構件溫度場模擬

汽車火災對鋼構件的溫度影響主要是通過熱輻射、熱對流、熱傳導作用. 火災發生時，汽車燃燒釋放大量的熱量使得周圍空氣升溫，高溫空氣通過熱對流作用向鋼構件表面傳遞熱量使得鋼構件表面溫度升高；同時火源通過熱輻射作用向構件表面傳遞熱量；當鋼材內部不同區域存在溫度梯度時，高溫區域通過熱傳導向低溫區域傳遞熱量. 鋼構件三維溫度場瞬態熱傳導方程為[13]

(3)

式中：ρ為密度，kg/m3；c為比熱容，J/(kg·℃)；λ為熱傳導系數，W/m2；T為點(x,y,z)在t時刻的溫度，℃.

火災發生前鋼構件的溫度場均勻，火災發生時考慮對流、輻射傳熱. 對流邊界條件與輻射邊界條件分別為

(4)

(5)

式中：Γ為火災邊界條件；Tq為鋼構件表面溫度，℃；Tb為構件表面高溫氣體的溫度，℃；hc為對流換熱系數，W/(m2·℃)；n為邊界外法線方向；ε為綜合輻射系數；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，一般取5.67·10-8W/(m2·K4).

為分析實際火災中鋼構件瞬態溫度場，采用ABAQUS瞬態熱分析模擬構件受火升溫過程. 有限元瞬態熱分析是根據能量守恒原理建立熱平衡方程，通過將構件劃分為微小單元，計算構件中各節點的溫度，并據此推導出其他熱物理參數. 鋼材在進行瞬態熱分析時，鋼材在高溫下的熱傳導系數和比熱容按歐洲EC3[2]規范選取，具體表達式為

(6)

(7)

式中：T為構件溫度,℃;λs為不同溫度下的鋼材熱傳導系數,W/(m·℃);Cs為不同溫度下鋼材的比熱容,J/(kg·℃);鋼材的密度隨溫度變化很小，一般取常溫時數值7 860 kg/m3.

在對受火鋼構件進行ABAQUS瞬態熱分析時，采用DC2D4單元，對流換熱系數按烴類火災取為50 W/(m2·℃)[3]，火災綜合輻射系數取為0.94[14].

在火災壞境中，鋼材表面受到高溫空氣熱對流作用以及火源熱輻射作用快速升溫，內外表面形成溫差，通過熱傳導作用溫度向內部傳遞，內表面溫度逐漸升高. 火災到達穩定燃燒階段后，截面溫度梯度效應逐漸減小.

在整個火災過程中各類型受火構件的截面最大溫差見表2. 構件截面最大溫差為18 ℃，相對于汽車火災的高溫溫度場，可認為構件截面均勻升溫.

表2 受火構件截面最大溫差

基于此本文中鋼構件忽略截面溫度梯度效應. 各構件的溫升情況如圖6所示，構件溫度場的最高溫度為98～540 ℃，在1 500 s后溫度保持穩定.

圖6 鋼構件升溫曲線

2 火災下結構性能分析

為分析下承式鋼桁架拱橋在不同火災場景下結構性能的變化，利用有限元軟件ABAQUS建立全橋有限元模型，通過熱-結構耦合分析不同火災場景下結構的受力和位移. 利用ABAQUS分析結構受火問題的可靠性得到了大量驗證[15-16].

下承式鋼桁架拱橋的上、下弦桿采用高強螺栓栓接的箱型截面，腹桿采用工字型截面，吊索規格為PES7-109，采用鍍鋅平行鋼絲. 考慮到火災的偶然性及結構抗火承載安全度可較正常情況低，計算結構抗力時材料強度按標準值[17]選取. 各構件主要參數見表3. 當構件應力達到屈服強度后，構件達到承載能力極限狀態.

表3 常溫下鋼材力學性能指標

圖7為全橋有限元模型，在模型中拱肋、橫梁、風撐采用B31單元，吊索采用T3D2桁架單元，全橋模型共計13 684個單元，40 475個節點. 將構件的瞬態溫度場作為溫度荷載施加到模型，橋梁鋪裝以均布荷載施加到各橫梁，考慮到火災時可能造成橋梁大面積交通堵塞，車輛荷載以靜力均布荷載滿布車道.

2.1 高溫下鋼材的性能

火災中鋼材性能的變化直接影響到橋梁受火分析的結果，目前國內外對鋼材在高溫下力學性能作了大量研究，其中歐洲規范EC3[2]、中國規范CECS 2006[17]、歐洲鋼結構協會ECCS[18]、英國規范BS 5950[19]、美國AISC規范[20]均對鋼材高溫下的各種性能參數提出相應的推薦值；本研究中鋼材在高溫下的熱膨脹系數、彈性模量和屈服強度取值參考歐洲鋼結構協會ECCS標準，熱膨脹系數取為1.4×10-5，鋼材在高溫下的應力應變本構模型參考歐洲規范EC3，屈服強度和彈性模量變化如圖8所示.

圖7 全橋有限元模型

圖8 不同溫度下鋼材的屈服強度及彈性模量

2.2 火災中結構性能分析

2.2.1 火災場景A(下弦桿拱腳處發生火災)

受火前下弦桿拱腳處最大壓應力為-180 MPa，為拱肋結構中應力最高部位. 當拱腳處發生火災，距離火源較近的下弦桿在沒有防火保護措施時溫度快速升至540 ℃，下弦桿拱腳截面受火時的應力變化曲線如圖9所示.

圖9 下弦桿拱腳截面應力變化

前期由于鋼材的熱膨脹效應，導致下弦桿快速升溫膨脹，膨脹時受到周圍桿件的限制，導致壓應力逐步增加，同時隨著溫度的升高，鋼材的屈服強度逐漸減小. 當構件的應力達到該溫度下的屈服強度時構件開始屈服. 從圖10可以看出，下弦桿拱腳處構件在960 s，溫度達到430 ℃時構件屈服，達到承載能力極限狀態，此后應力隨著溫度的升高逐漸減小，溫度穩定在540 ℃時，構件的屈服強度僅為156 MPa.

下弦桿拱腳處構件屈服前后，結構的靜力性能變化存在差異，以主要傳力構件的軸力變化反映出火災中結構傳力路徑的改變. 受火區域主要構件的軸力變化見表4，在汽車火災前期由于熱膨脹作用，溫度越高構件膨脹越多，膨脹過程中會受到周圍桿件的約束使得各受熱構件的軸力有所增加，構件升溫越快，軸力增加越快；溫度繼續升高，下弦桿拱腳處構件逐漸進入屈服狀態，軸力增加趨勢減小；到1 100 s，溫度到達500 ℃時,下弦桿傳遞的軸力已小于受火前傳遞的軸力，上弦桿傳遞的軸力繼續增加；到1 700 s，構件溫度場已經進入穩定階段，此時高溫對下弦桿承載力有明顯削弱，由于拱肋上、下弦桿及腹桿的協同受力，下弦桿削弱的承載力能通過上弦桿傳遞，結構重新達到受力平衡狀態.

表4 受火區域構件的軸力變化

圖10 受火區域主要構件的軸力變化

鋼桁架拱肋在火災作用下中，熱膨脹效應及內力重分布作用對受火區域構件的應力影響明顯. 腹桿應力增加99～161 MPa，上弦桿應力增加180 MPa，腹桿及上弦桿鋼材屈服強度在火災高溫下折減系數為0.63～0.96，構件仍具備一定的富余強度. 表5為火災后主要構件的應力值與火災高溫下的屈服強度.

表5 受火后構件的最大應力值與屈服強度

從橋梁受火時吊索索力變化圖11可以發現火災對吊索索力的影響在靠近火源的3根吊索表現明顯. 其中2#吊索的索力受火前為1 800 kN，1 000 s時增加至4 300 kN，1500 s后隨著鋼構件溫度場的穩定，吊索索力穩定在3 900 kN，吊索應力峰值為1 025 MPa.

圖11 火源附近吊索索力變化

當橋梁發生汽車火災后，結構的位移會產生變化. 圖12為火災下橋梁豎向位移變化，以中跨豎向位移分析為例，火災前期由于拱腳處各受火構件的熱膨脹作用導致中跨整體上升，隨著溫度升高，豎向位移逐漸增大. 當時間到900 s，溫度為420 ℃時，豎向位移到達最大，為115 mm. 此后隨著溫度升高，豎向位移逐漸減小，從上文分析可知，960 s時拱腳下弦桿構件逐漸進入到屈服狀態，這使得結構整體剛度逐漸減小，豎位移下撓趨勢增大. 1 500 s時，中跨部分區域的豎向位移為負，1 800 s時當溫度進入到穩定階段后，火災中橋梁重新達位移平衡狀態.

橋梁受火后，火災溫度場的不均勻性導致橋面兩側豎向位移變化的差異，橋面產生較大的橫向高差，最大高差達到108 mm，最大高差位置為主跨靠近火源的L/4處，火災下主跨橋面兩側高差的變化如圖13所示.

圖12 火災中橋面豎向位移變化

圖13 主跨橋面兩側高差

2.2.2 火災場景B(主跨跨中處發生火災)

下承式鋼桁架拱橋在主跨跨中處發生油罐車火災時，火災高溫對材料性能的削弱導致受火吊索承載能力下降，同時內力重分布作用使得附近吊索索力發生變化. 圖14為受火側對稱一半吊索的索力變化，受火吊索及臨近3根吊索索力變化明顯.

圖14 吊索索力變化

表6為吊索的最大應力與屈服強度，可以發現，火災場景B中各吊索仍然具備較多的富余強度. 拱肋結構受火災高溫影響較小，應力變化不明顯，主縱梁應力變化主要受到吊索索力變化影響. 受火吊索提供的豎向支承力降低，主縱梁豎向支承力由附近吊索提供，主縱梁應力在受火區域最大應力增幅為21.4%. 主跨關鍵截面構件的應力變化見表7.

表6 吊索的最大應力與屈服強度

表7 主跨關鍵截面應力變化

火災場景B中橋面豎向位移變化如圖15所示，其中主跨跨中豎向撓度增加34 mm，豎向位移變幅為8.1%. 距火源中心7、14、21 m處豎向位移變幅分別為7.3%、5.6%、3.8%.

圖15 橋面豎向位移變化

3 結 論

1)橋梁大空間火災溫度場分布不均，隨著距火源距離增大，溫度快速下降. 在油罐車火災場景中，構件附近的溫度場最高溫度達550 ℃.

2)火災場景A(下弦桿拱腳處發生火災)中，熱膨脹產生的附加內力及高溫對鋼材性能的削弱使得下弦桿構件在溫度達到430 ℃時進入屈服狀態，達到承載能力極限狀態. 下弦桿削弱的承載力能通過上弦桿傳遞，內力重分布使得受火區域的腹桿應力增加99～161 MPa，上弦桿應力增加180 MPa. 鋼桁架拱肋遭受火災將導致結構整體位移的變化，在整個火災過程中橋面豎向位移變化最大為115 mm.

3)火災場景B(主跨跨中發生火災)中，油罐車火災主要對火源附近3根吊索的溫度場產生影響，受火吊索索力減小使得受火吊索處橋面下撓增加33 mm，主梁應力增大35 MPa. 受火吊索削減的承載力可由臨近吊索補充，使得結構性能改變主要發生在火災區域附近.

4)在對大跨度鋼桁架拱橋進行防火管養時，應重點加強鋼桁架拱肋的防火保護.